基于航迹融合和航迹预测的船舶避碰辅助决策方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及船舶避碰技术领域，尤其涉及一种基于航迹融合和航迹预测的船舶避 碰辅助决策方法及系统。
【背景技术】
[0002] 船舶碰撞一直是船舶航行安全中主要事故种类，而且80%以上的碰撞事故是由人 为因素直接或间接造成的。目前，大多船舶避碰过程是由操作人员依据经验主观决策的，其 操作的准确性和规范性不能保证。可见，为了减少船舶碰撞事故的发生，重点是要减少操作 人员不规范的或是无效的避让措施。因此，迫切需要一种能让船舶驾驶人员实时地、透明地 了解船舶的航行环境，并能为其提供碰撞预警和避碰方案的船舶避碰系统，用于减少人为 因素引起的碰撞事故。但在已有船舶避碰系统的研究成果中还有很多不足，表现在以下几 个方面：
[0003] 1、常用船载助航设备有船用雷达和船舶自动识别系统（AIS)，都能获取目标信息， 但这两者各有优缺点，所以使用单一系统难以保证信息的准确性和全面性。
[0004] 2、在实际运行中AIS设备可能出现信息发送失败，而雷达可能有盲区，这都会导 致本船上无法及时接收到最新信息。另一方面，要实现船舶避碰预警功能，不仅要对当前做 出碰撞危险度分析，还要能对下一时刻船舶间新的位置关系做出分析，这才能提前对危险 情况做出避让措施。
[0005] 3、目前在船舶避碰分析与辅助决策这个技术领域上还没有准确的量化模型，没有 能够综合考虑检测目标与本船的位置关系，并分析当前碰撞危险，提供预警方案的系统。
[0006] 4、目前嵌入式计算和计算机计算迅速发展，船舶避碰领域还没有能够结合这些技 术的智能化、自动化的系统。
【发明内容】
[0007] 本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中单一船载助航设备可靠性较差，并 且不能自动的提供船舶碰撞预警的缺陷，提供一种能够自动化、智能化计算船舶航行状态 的基于航迹融合和航迹预测的船舶避碰辅助决策方法及系统。
[0008] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0009] 本发明提供一种基于航迹融合和航迹预测的船舶避碰辅助决策方法，包括以下步 骤：
[0010] S1、获取船舶自动识别系统与雷达传输的船舶信息，并对其进行预处理得到船舶 的位置、速度和方位信息；
[0011] S2、对船舶的位置、速度和方位信息进行航迹关联和航迹融合，具体步骤为：
[0012] S21、对船舶的位置、速度和方位信息进行坐标转换和时间配准，将经炜度形式信 息转换为极坐标形式信息，使用分段线性插值法将不同步的信息统一到同一时刻；
[0013] S22、对处理后的位置、速度和方位信息进行航迹关联，以目标船船舶自动识别系 统航迹信息为基准，先排除与船舶自动识别系统信息相比时间、距离差距较大的雷达航迹 信息；再通过计算船舶自动识别系统航迹信息和雷达航迹信息的关联程度，至多选择一个 关联程度较大的雷达航迹信息，将此船舶自动识别系统航迹信息和雷达信息选定为目标船 航迹融合的对象；
[0014]S23、对选定的关联程度较大的目标船的船舶自动识别系统和雷达航迹信息进行 航迹融合，采用基于统计的加权估计法来完成目标船的航迹融合过程，并存储融合结果为 航迹预测提供数据；
[0015]S3、根据航迹融合的结果对目标船进行航迹预测，并做出船舶碰撞危险评价、避让 决策及目标船态势监测。
[0016] 步骤S1中对船舶信息进行预处理的方法具体为：
[0017] 分别按照船舶自动识别系统与雷达报文格式进行解析，并提取有效信息存储到数 据库中。
[0018] 步骤S2中目标船的船舶自动识别系统航迹信息和雷达航迹信息关联程度的计算 方法具体为：
[0019] 通过正态分布的隶属度函数得到距离、方位、航速、航向这4个因素的欧氏距离的 关联和不关联隶属度值，再与各因素权重大小进行加权平均可得到综合因素关联和不关联 隶属度；
[0020] 最后进彳丁双门限细关联，即判断综合因素关联隶属度最大值与满足细关联次数是 否满足设定的门限值，若都满足则停止关联判断，存储并绑定判定细关联的目标船的船舶 自动识别系统和雷达标号，作为关联程度较大的目标船航迹融合的对象。
[0021] 步骤S3中船舶碰撞危险评价的方法具体为：
[0022] 综合考虑最小会遇距离、最小会遇时间、两船距离、目标船与本船的方位角、本船 与目标船的速度比这5个作为评价因素，得到各自隶属度后与其对应权重值加权得到综合 因素碰撞危险度。
[0023] 步骤S3中避让决策的方法具体为：
[0024] 首先确定避让行动时机，采用碰撞危险度理论的方法计算碰撞危险度，并将其与 设定的危险度阈值进行比较，若大于该阈值，根据本船与目标船的会遇态势判断避让方式， 确定本船是直航船还是避让船，以及向左还是向右避让；最后确定转向避让幅度。
[0025] 步骤S3中目标船态势监测的方法具体为：
[0026] 以本船为直角坐标系中心原点，实时绘制并显示本船周围8海里范围内的监测目 标位置、航向信息和航迹，并通过不同颜色绘制目标能直观反映不同碰撞危险程度状态，点 击对应目标能显示相应信息与避让建议。
[0027] 本发明提供一种基于航迹融合和航迹预测的船舶避碰辅助决策系统，包括串口接 收模块和数据库，以及均与所述数据库连接的信息处理模块、算法模块和人机交互模块，所 述串口接收模块与所述信息处理模块相连；
[0028] 所述信息处理模块，包括船舶自动识别系统信息处理模块、雷达信息处理模块和 其他信息处理模块，用于接收来自串口接收模块发送来的船舶航行信息，并对其进行预处 理得到船舶的位置、速度、方位信息，最后将处理结果保存到数据库中；
[0029] 所述算法模块，包括数据融合算法模块、航迹预测算法模块、避让决策算法模块、 碰撞危险算法模块和其他算法模块，用于从数据存储模块中读取船舶的位置、速度、方位信 息，并对其进行航迹融合和航迹预测，根据计算结果进行碰撞预警和避让决策；
[0030] 所述人机交互模块，包括目标态势监控模块、信息查询模块、碰撞预警模块、系统 配置模块和其他功能模块，用于实时的显示船舶的航行信息，以及各种预警信息。
[0031] 该系统采用linux嵌入式系统为开发平台，数据库采用SQLite3,界面开发工具采 用QT，硬件ARM板采用S3C6410芯片作为处理器。
[0032] 该系统还包括GPRS通信模块，并通过所述GPRS通信模块与监控中心通信。
[0033] 所述人机交互模块采用触摸屏进行人机交互。
[0034] 本发明产生的有益效果是：本发明的基于航迹融合和航迹预测的船舶避碰辅助决 策方法，通过将船载雷达和AIS系统相结合，保证了单一系统失效的情况下仍然能对船舶 碰撞危险度进行分析，提高了数据来源的可靠性和稳定性；另一方面，通过航迹融合和航迹 预测算法，对船舶航行时的碰撞危险进行分析，并做出避让决策和目标态势监测，能够实时 的、智能的监测船舶航行时的安全信息，避免船舶发生碰撞；并且结合嵌入式技术和计算机 技术，提高了系统的可靠性、可扩展性，且有助于船载设备的智能化和小型化，具有良好的 实际应用价值。
【附图说明】
[0035] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0036]图1是本发明实施例的基于航迹融合和航迹预测的船舶避碰辅助决策方法的流 程图；
[0037]图2是本发明实施例的基于航迹融合和航迹预测的船舶避碰辅助决策方法的工 作流程图；
[0038]图3是本发明实施例的基于航迹融合和航迹预测的船舶避碰辅助决策系统的结 构框图；
[0039] 图4是本发明实施例的基于航迹融合和航迹预测的船舶避碰辅助决策系统的硬 件结构示意图；
[0040]图5是本发明实施例的基于航迹融合和航迹预测的船舶避碰辅助决策方法中预 测算法流程图；
[0041]图6是本发明实施例的基于航迹融合和航迹预测的船舶避碰辅助决策方法的船 舶运动矢量图。
【具体实施方式】
[0042] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不 用于限定本发明。
[0043] 如图1所示，本发明实施例的基于航迹融合和航迹预测的船舶避碰辅助决策方 法，包括以下步骤：
[0044]S1、获取船舶自动识别系统与雷达传输的船舶信息，并对其进行预处理得到船舶 的位置、速度和方位信息；分别按照船舶自动识别系统与雷达报文格式进行解析，并提取有 效信息存